DE102019001737A1 - Lithium Batterie, Lithium Batterie Multistack sowie Verfahren zur Herstellung derselben - Google Patents

Lithium Batterie, Lithium Batterie Multistack sowie Verfahren zur Herstellung derselben Download PDF

Info

Publication number
DE102019001737A1
DE102019001737A1 DE102019001737.4A DE102019001737A DE102019001737A1 DE 102019001737 A1 DE102019001737 A1 DE 102019001737A1 DE 102019001737 A DE102019001737 A DE 102019001737A DE 102019001737 A1 DE102019001737 A1 DE 102019001737A1
Authority
DE
Germany
Prior art keywords
solid electrolyte
solid
electrode
negative electrode
sulfur
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
DE102019001737.4A
Other languages
English (en)
Inventor
Johannes Kasnatscheew
Gerrit Homann
Mariano Grünebaum
Paul Meister
Martin Winter
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Forschungszentrum Juelich GmbH
Original Assignee
Forschungszentrum Juelich GmbH
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Forschungszentrum Juelich GmbH filed Critical Forschungszentrum Juelich GmbH
Priority to DE102019001737.4A priority Critical patent/DE102019001737A1/de
Priority to PCT/DE2020/000013 priority patent/WO2020182241A1/de
Publication of DE102019001737A1 publication Critical patent/DE102019001737A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

Links

Images

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M4/00—Electrodes
    • H01M4/02—Electrodes composed of, or comprising, active material
    • H01M4/04—Processes of manufacture in general
    • H01M4/0402—Methods of deposition of the material
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M50/00—Constructional details or processes of manufacture of the non-active parts of electrochemical cells other than fuel cells, e.g. hybrid cells
    • H01M50/40—Separators; Membranes; Diaphragms; Spacing elements inside cells
    • H01M50/409—Separators, membranes or diaphragms characterised by the material
    • H01M50/431—Inorganic material
    • H01M50/434—Ceramics
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M10/00—Secondary cells; Manufacture thereof
    • H01M10/05—Accumulators with non-aqueous electrolyte
    • H01M10/052—Li-accumulators
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M10/00—Secondary cells; Manufacture thereof
    • H01M10/05—Accumulators with non-aqueous electrolyte
    • H01M10/056—Accumulators with non-aqueous electrolyte characterised by the materials used as electrolytes, e.g. mixed inorganic/organic electrolytes
    • H01M10/0561—Accumulators with non-aqueous electrolyte characterised by the materials used as electrolytes, e.g. mixed inorganic/organic electrolytes the electrolyte being constituted of inorganic materials only
    • H01M10/0562—Solid materials
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M4/00—Electrodes
    • H01M4/02—Electrodes composed of, or comprising, active material
    • H01M4/04—Processes of manufacture in general
    • H01M4/043—Processes of manufacture in general involving compressing or compaction
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M4/00—Electrodes
    • H01M4/02—Electrodes composed of, or comprising, active material
    • H01M4/36—Selection of substances as active materials, active masses, active liquids
    • H01M4/38—Selection of substances as active materials, active masses, active liquids of elements or alloys
    • H01M4/381—Alkaline or alkaline earth metals elements
    • H01M4/382—Lithium
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M50/00—Constructional details or processes of manufacture of the non-active parts of electrochemical cells other than fuel cells, e.g. hybrid cells
    • H01M50/40—Separators; Membranes; Diaphragms; Spacing elements inside cells
    • H01M50/409—Separators, membranes or diaphragms characterised by the material
    • H01M50/411—Organic material
    • H01M50/414—Synthetic resins, e.g. thermoplastics or thermosetting resins
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M4/00—Electrodes
    • H01M4/02—Electrodes composed of, or comprising, active material
    • H01M4/36—Selection of substances as active materials, active masses, active liquids
    • H01M4/48—Selection of substances as active materials, active masses, active liquids of inorganic oxides or hydroxides
    • H01M4/50—Selection of substances as active materials, active masses, active liquids of inorganic oxides or hydroxides of manganese
    • H01M4/505—Selection of substances as active materials, active masses, active liquids of inorganic oxides or hydroxides of manganese of mixed oxides or hydroxides containing manganese for inserting or intercalating light metals, e.g. LiMn2O4 or LiMn2OxFy
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M4/00—Electrodes
    • H01M4/02—Electrodes composed of, or comprising, active material
    • H01M4/36—Selection of substances as active materials, active masses, active liquids
    • H01M4/48—Selection of substances as active materials, active masses, active liquids of inorganic oxides or hydroxides
    • H01M4/52—Selection of substances as active materials, active masses, active liquids of inorganic oxides or hydroxides of nickel, cobalt or iron
    • H01M4/525—Selection of substances as active materials, active masses, active liquids of inorganic oxides or hydroxides of nickel, cobalt or iron of mixed oxides or hydroxides containing iron, cobalt or nickel for inserting or intercalating light metals, e.g. LiNiO2, LiCoO2 or LiCoOxFy
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M50/00—Constructional details or processes of manufacture of the non-active parts of electrochemical cells other than fuel cells, e.g. hybrid cells
    • H01M50/40—Separators; Membranes; Diaphragms; Spacing elements inside cells
    • H01M50/46—Separators, membranes or diaphragms characterised by their combination with electrodes
    • H01M50/461—Separators, membranes or diaphragms characterised by their combination with electrodes with adhesive layers between electrodes and separators
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/10—Energy storage using batteries
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02P—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES IN THE PRODUCTION OR PROCESSING OF GOODS
    • Y02P70/00—Climate change mitigation technologies in the production process for final industrial or consumer products
    • Y02P70/50—Manufacturing or production processes characterised by the final manufactured product

Landscapes

  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • General Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Electrochemistry (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Inorganic Chemistry (AREA)
  • Ceramic Engineering (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Condensed Matter Physics & Semiconductors (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Materials Engineering (AREA)
  • Battery Electrode And Active Subsutance (AREA)
  • Secondary Cells (AREA)

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer All-Solid-State Lithium-Batterie, umfassend eine positive Elektrode, eine negative Elektrode sowie eine dazwischen angeordnete Festelektrolytschicht, wobei zunächst ein Festelektrolyt auf ein metallisches Transfersubstrat aufgebracht wird, die dem metallischen Transfersubstrat gegenüberliegende Seite der Festelektrolytschicht mit einer positiven Elektrode kontaktiert und verspresst wird, und das metallische Transfersubstrat anschließend von der Festelektrolytschicht entfernt wird, bevor eine negative Elektrode direkt oder über eine Haftvermittlerschicht auf der freien Seite der Festelektrolytschicht angeordnet wird.Die Erfindung betrifft ferner eine All-Solid-State Lithium-Batterie bzw. einen All-Solid-State Lithium-Batterie Multistack, umfassend eine positive Elektrode, eine negative Elektrode, einen dazwischen angeordneten Schwefel basierten Festelektrolyt und wenigstens einen Stromableiter, wobei zwischen der negativen Elektrode und dem Festelektrolyt eine Haftvermittlungsschicht angeordnet ist, und/oder wenigstens ein Stromableiter, vorzugsweise alle Stromableiter, benachbart zur negativen Elektrode ein Schwefel tolerantes Material umfasst.

Description

  • Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf Lithium Batterien, zu denen sowohl Lithium-Ionen Batterien als auch Lithium Metall Batterien zählen, und insbesondere auf solche Batterien mit einem Schwefel basierten Festelektrolyt, die vorteilhaft als Multistacks angeordnet werden können, sowie auf ein Verfahren zur Herstellung von Lithium Batterien.
  • Stand der Technik
  • Aus der Literatur sind bereits eine Vielzahl von Lithium-Ionen Batterien bekannt, die in der Regel einen flüssigen, teilweise organischen Elektrolyten aufweisen. Daneben werden auch schon verschiedenste Lithium-Ionen Batterien mit nicht-wässrigen, salzartigen Elektrolyten oder Polymer-Elektrolyten getestet.
  • Eine wichtige Alternative zu Flüssigelektrolyten stellen ionenleitende Festelektrolyte dar. Sie zeichnen sich durch eine hohe mechanische Stabilität, Hitzebeständigkeit, einfache Handhabung und ein flexibles Design aus und spielen daher eine wichtige Rolle für Batterieanwendungen.
  • Diese so genannten „AII-Solid-State“-Batterien oder -Akkumulatoren, auch „Festkörperbatterien“ genannt, gelten als besonders vorteilhaft, weil Ihr fester Elektrolyt im Unterschied zu den Flüssigelektrolyten der bisherigen Batterien in der Regel eine höhere elektro-chemische Stabilität aufweist und sie regelmäßig weniger toxisch und weniger leicht entzündbar sind, als die typischen Flüssigelektrolyte.
  • Bekannte Festkörperbatterien weisen neben einer positiven und einer negativen Elektrode eine dazwischen angeordnete Festelektrolytschicht aus einem anorganischen Festkörper in Form eines Anionenleiters oder eines Kationenleiters als Separator auf. Der Festelektrolyt kann dabei aus einem kristallinen oder auch aus einem amorphen Material bestehen. Neben Oxid-basierten Materialien kommen auch Schwefel basierte Materialien zum Einsatz.
  • Typische Vertreter für einen Anionenleiter sind beispielweise Oxidionenleiter, z. B. mit Yttrium stabilisiertem Zirkoniumdioxid (YSZ) oder Fluoridionenleiter, z. B. Lanthanfluorid. Als Kationenleiter haben sich beispielweise Protonenleiter, Silberionenleiter und Natriumionenleiter, z. B. Natrium-β-aluminat, als geeignet herausgestellt.
  • Für Festkörper-Lithiumbatterien eignen sich beispielsweise dünne Filme aus Li3N, Lithium-Superionenleiter (LISICON), LiNbO3, Lithium-Lanthan-Titan-Oxid (LLTO) und stickstoffdotierte Lithiumphosphate (LIPON) als Festelektrolyte.
  • Zwischen der positiven Elektrode und dem Festelektrolyten und/oder der negativen Elektrode und dem Festelektrolyten kann bzw. können optional zusätzliche Haftvermittlerschichten angeordnet sein, die regelmäßig die Haftung zwischen den entsprechenden Schichten verbessern sollen. Für solche Haftvermittlerschichten kann beispielsweise auf bereits bekannte Polymerelektrolyten als polymere Lithium-Ionenleiter zurückgegriffen werden, wie z. B. Polyethylenoxid (PEO), Polymethylmethacrylat (PMMA), Polyphenylenether (PPO), Phosphazenpolymere, wie MEEP, oder auch Polyacrylnitril (PAN).
  • Neben dem Polymer können solche Haftvermittlerschichten auch noch zusätzlich ein Leitsalz, wie beispielsweise Lithiumperchlorat, Lithiumtetrafluoroborat, Lithiumhexafluorophosphat, LiN(SO2F)2 (LiFSI) oder LiN(SO2CF3)2 (LiTFSI) aufweisen, mit deren Hilfe regelmäßig die Lithiumionen-Leitfähigkeit angepasst werden kann.
  • Auch bekannte fluorhaltige Polymere wie der teilfluorierte Kunststoff Polyvinylidendifluorid (PVdF) allein oder zusammen mit Copolymerisaten mit Hexafluoropropylen (HFP) (PVdF-HFP) oder Polytetrafluorethylen (PTFE) können zusammen mit einem Leitsalz als Haftvermittlerschicht eingesetzt werden.
  • Die optionalen Haftvermittlerschichten weisen in der Regel jeweils eine Schichtdicke zwischen 0,001 µm und 1000 µm auf, vorzugsweise zwischen 0,1 µm und 100 µm.
  • Als positive und negative Elektrode können grundsätzlich alle für Lithium-Ionen Batterien bekannten Elektroden eingesetzt werden.
  • Derzeit sind unterschiedliche Verfahren zur Herstellung einer All-Solid-State Lithium-Ionen Batterie bekannt, bei denen die starren Elektroden- bzw. Festelektrolytschichten lose übereinandergestapelt und anschließend verpresst werden. Dabei kann es nachteilig zu einem Versatz der einzelnen Schichten kommen, was einerseits zu einer verringerten Produktivität und erhöhten Ausschuss, aber auch zu einer geringeren Leistungsfähigkeit und Lebensdauer auf Grund von erhöhten Übergangswiderständen führen kann.
  • Aus DE 10 2016 216 549 A1 ist beispielsweise bekannt, zur Herstellung einer Einzelzelle zunächst eine Verbundkathode auf einem Stromsammler bereit zu stellen. Auf diese Verbundkathode werden eine erste Haftvermittlerschicht, auf dieser Haftvermittlerschicht eine Festelektrolytschicht und auf dieser Festelektrolytschicht eine zweite Haftvermittlerschicht angeordnet. Zum Schluss wird eine Verbundanode umfassend eine Alufolie als Stromsammler aufgebracht.
  • Zur Herstellung eines Multistacks aus mehreren solchen Einzelzellen wird in DE 10 2016 216 549 A1 auf die Stromkollektorfolie einer Anode zunächst eine elektrisch isolierende Folie gelegt und eine weitere Einzelzelle wie vorgenannt darauf aufgebaut. Diese Schritte werden solange wiederholt, bis die gewünschte Zellenzahl bzw. die gewünschte Zielkapazität erreicht wird. Die Reihenfolge bei der Herstellung einer Einzelzelle kann dabei auch von der Anode zur Kathode erfolgen.
  • In DE 10 2015 210 806 A1 wird ein Verfahren zur Herstellung einer Festkörperbatterie beschrieben, bei dem eine Festelektrolytaufschlämmung, eine Anodenaufschlämmung mit Abstandshalter sowie eine Kathodenaufschlämmung mit Abstandshalter hergestellt werden, und im Anschluss die Anodenaufschlämmung und die Kathodenaufschlämmung auf einer ersten und einer zweiten Seite der Elektrolytaufschlämmung angeordnet werden. Die Schichten werden getrocknet und zu einer bipolaren Elektrode bzw. Festkörperbatterie verpresst.
  • Im Rahmen der Erfindung hat sich herausgestellt, dass ein bekanntes Verfahren, bei dem eine Festelektrolytaufschlämmung auf eine Mylarfolie (Polyester-Folie) aufgebracht wird, zwar theoretisch gut - in der Praxis aber nur mangelhaft funktioniert. Es hat sich gezeigt, dass die Haftung des Festelektrolyten an bzw. auf der Mylarfolie nur in Ausnahmefällen ausreichend ist, so dass die Versuche, die Festelektrolytschicht mit Hilfe einer Mylarfolie auf eine Kathode zu transferieren, häufig fehlschlugen. Der hohe Ausschuss macht dieses Verfahren somit uneffektiv und teuer.
  • Zudem haben sich bei Festelektrolyt-Batterien, die einen Festelektrolyt basierend auf einem Sulfid verwenden, in der Vergangenheit häufig Probleme beim Prozessieren und beim Verschalten mehrerer Einzelzellen zu einem Multistack ergeben. Es ist bekannt, dass Schwefel und Schwefel-basierte Materialien, wie LPS Festelektrolyt, eine sehr hohe Affinität zu Kupfer haben. Kupfer und Schwefel reagieren auch bereits miteinander, wenn diese in einem Abstand von 10 cm voneinander entfernt angeordnet werden. Das thiophile (schwefelliebende) Kupfer entzieht in seinem lokalen Umfeld der Luft die Spuren von gasförmigem Schwefel.
  • Bezogen auf Sulfid haltige Festkörperbatterien mit Kupfer haltigen Stromableitern bedeutet dies in der Praxis, dass es innerhalb der Zelle regelmäßig zu einer Gleichgewichtsverschiebung kommt, welche eine kontinuierliche Abreaktion des Stromableiters zur Folge hat, selbst wenn der Stromableiter und der Festkörperelektrolyt nicht in unmittelbarer Nähe angeordnet sind.
  • Aufgabe und Lösung
  • Die Aufgabe der Erfindung ist es, eine All-Solid-State Lithium-Ionen Batterie mit einem Schwefel basierten Festelektrolyt bereit zu stellen, die als seriell verschalteter Multistack mit hoher Energie- und Leistungsdichte einsetzbar ist.
  • Ferner ist es die Aufgabe der Erfindung, ein einfaches und preiswertes Herstellungsverfahren für eine solche All-Solid-State Lithium-Ionen Batterie bzw. einen daraus aufgebauten Multistack anzugeben.
  • Die Aufgaben der Erfindung werden gelöst durch ein Verfahren zur Herstellung einer All-Solid-State Lithium-Ionen Batterie mit den Merkmalen des Hauptanspruchs, sowie durch eine solche All-Solid-State Lithium-Ionen Batterie gemäß Nebenanspruch.
  • Vorteilhafte Ausgestaltungen des Verfahrens und der Batterie ergeben sich aus den jeweils darauf rückbezogenen Ansprüchen.
  • Gegenstand der Erfindung
  • Im Rahmen der Erfindung wurde herausgefunden, dass mit Hilfe des erfindungsgemäßen Verfahrens, das heißt durch eine geeignete Prozessierung All-Solid-State Lithium-Batterien hergestellt werden können, wobei unter dem Begriff Lithium-Batterien sowohl Lithium-Ionen Batterien als auch Lithium-Metall Batterien zusammengefasst werden.
  • Ferner wurde festgestellt, dass durch den Einsatz geeigneter Materialien für Stromsammler für solche Lithium-Batterien gut funktionierende Multistacks umfassend All-Solid-State Lithium-Batterien mit Schwefel basierten Festelektrolyten bereitgestellt werden können.
  • Im Folgenden werden die Begriffe „Lithium-lonen Batterie“, „Lithium-Ionen Akkumulator“, „wiederaufladbare Lithium-Ionen Batterie“ und „Lithium-lonen Sekundärbatterie“ synonym verwendet.
  • Ferner wird unter einem Multistack eine Mehrzahl von wenigstens zwei seriell verschalteten Batterie-Einzelzellen verstanden.
  • Die Erfindung schlägt in einer ersten Ausgestaltung ein einfaches, preiswertes und insbesondere effektives Verfahren zur Herstellung einer All-Solid-State Lithium-Batterie vor.
  • Bei einer Batterie oder einem Akkumulator wird die Anode beim Entladen, bzw. die Kathode beim Laden regelmäßig als negative Elektrode und die Kathode beim Entladen, bzw. Anode beim Laden als positive Elektrode bezeichnet.
  • Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird im Unterschied zu vielen bisherigen Verfahren zur Herstellung einer All-Solid-State Lithium-Batterie der Festelektrolyt in Form einer Aufschlämmung (Festelektrolyt-Slurry) zunächst auf ein Transfersubstrat aufgebracht und dort getrocknet. Geeignete Aufbringungsverfahren sind beispielsweise Rakeln, Extrusion, eine Sprühbeschichtung, Siebdruckverfahren oder Foliengießen („Doctorblading“).
  • Eine Aufschlämmung ist unter anderem notwendig, um einen geeigneten Binder im Festelektrolyten homogen verteilen zu können, der unter anderem die mechanische Stabilität des Festelektrolyten erhöht. Insofern kann das erwähnte Verfahren neben Schwefel basiertem Festelektrolyten auch für andere Festelektrolyte genutzt werden, z. B. oxidisch basierte Festelektrolyte wie beispielsweise Li1.3Al0.3Ti1.7(PO4)3 (LATP) oder Li7La3Zr2O12 (LLZO).
  • Die bislang als Transfersubstrate bekannten und eingesetzten biaxial orientierten PolyesterFolien (BO-PET) zeichnen sich durch eine hohe Zugfestigkeit, chemische, mechanische und thermische Stabilität sowie Transparenz aus.
  • Erfindungsgemäß wird jedoch ein metallisches Transfersubstrat eingesetzt, vorzugsweise eine metallische Folie. Anders als bei der Aufbringung auf eine Polyester-Folie, die auch unter der Bezeichnung Mylar-Folie im Handel erhältlich ist, bildet sich erfindungsgemäß eine geeignete Haftung zwischen dem Festelektrolyten und der metallischen Folie aus, die sich als besonders vorteilhaft für das weitere Verfahren herausgestellt hat.
  • Als eine geeignete metallische Folie kann beispielsweise eine Folie aus Aluminium oder Edelstahl eingesetzt werden. Die Schichtdicken dieser metallischen Folie liegen typischerweise im Bereich zwischen 0,1 µm und 1000 µm, vorzugsweise um die 30 µm , wobei Edelstahlfolien tendenziell dünner ausfallen können, weil Edelstahl deutlich stabiler als Aluminium ist.
  • Die metallische Folie mit dem aufgebrachten Festelektrolyten kann anschließend leicht zur weiteren Verarbeitung in eine gewünschte Form gebracht, z. B. gestanzt werden.
  • Die Metallfolie mit der Festelektrolytschicht wird anschließend direkt auf eine positive Elektrode übertragen, wobei die freie Seite der Festelektrolytschicht in direkten Kontakt mit der positiven Elektrode gebracht wird. Der Elektroden-Festelektrolytschichtverbund wird anschließend verpresst. Hierbei kann ein Druck von 0,1 t cm-2 bis 50 t cm-2, vorzugsweise von 1 t cm-2 bis 10 t cm-2, beispielsweise von 8 t cm-2 für einen Zeitraum von 0,01 sec bis 1000 sec, vorzugsweise von 0,1 sec bis 100 sec, beispielsweise für ca. 30 sec, eingestellt werden.
  • Für die positive Elektrode können dabei alle bislang bekannten Materialien für eine All-Solid-State Lithium-Ionen Batterie oder Lithium-Metall Batterie eingesetzt werden. Die Elektrodenschicht umfasst ein für eine positive Elektrode geeignetes Aktivmaterial, beispielsweise LiNixMnyCozO2 (NMC), LiCoO2 (LCO), LiFePO4 (LFP) oder LNixMnyO4 (LNMO).
  • Zudem kann die positive Elektrode darüber hinaus auch noch Binder, elektronisch leitendes Material zur Erhöhung der elektronischen Leitfähigkeit, z. B. Azetylen Schwarz, Ruß, Graphit, Kohlefaser und Kohlenstoffnanoröhrchen, sowie Elektrolytmaterial, insbesondere ein Polymer oder Festelektrolyt, zur Erhöhung der lonenleitfähigkeit, sowie weitere Additive umfassen. Insbesondere kann die positive Elektrode Kohlenstoffröhrchen in Form von Kohlenstoffnanofasern (Carbon nanofibers (CNF)), dampfgewachsene Kohlenstofffasern (vapor grown carbon fibers (VGCF)) oder dampfgewachsene Kohlenstoffnanofasern (vapor grown carbon nanofibers (VGCNF)) umfassen.
  • Bei dem Pressvorgang des Elektroden-Festelektrolytschichtverbunds verdichtet sich der Festelektrolyt. Die Festelektrolytschicht verliert dabei regelmäßig ihre Haftung zur metallischen Folie, wodurch diese sehr leicht von der Festelektrolytschicht entfernt werden kann oder sich im einfachsten Fall sogar von selbst von dieser löst.
  • Der Transfer der Festelektrolytschicht auf die positive Elektrode erfolgt aufgrund der guten Haftung im Unterschied zu bisherigen Verfahren vorteilhaft nahezu ohne Ausschuss. Erfindungsgemäß kann somit ein effektiver und sauberer Transfer des Festelektrolyten auf die positive Elektrode sichergestellt werden.
  • Die weiteren Verfahrensschritte gestalten sich ähnlich wie bei herkömmlichen Herstellungsverfahren für eine All-Solid-State Lithium-Batterie.
  • Auf die freie Seite der Festelektrolytschicht wird direkt oder optional über eine Haftvermittlerschicht eine negative Elektrode angeordnet, und die gesamte Zelle - gegebenenfalls nach der Anordnung von zwei Stromableitern - optional verpresst.
  • In einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung wird die negative Elektrode über eine Haftvermittlerschicht umfassend wenigstens ein Polymer auf die freie Seite der Festelektrolytschicht aufgebracht.
  • Eine solche polymere Haftvermittlerschicht verhindert insbesondere beim Einsatz eines Schwefel basierten Festelektrolyten vorteilhaft eine kontinuierliche Abreaktion des Schwefels oder einer Schwefelverbindung aus dem Schwefel-basierten Festelektrolyten mit beispielsweise dem Lithium der negativen Elektrode.
  • Als negative Elektrode können ebenfalls alle bislang bekannten Materialien für eine All-Solid-State Lithium-Batterie eingesetzt werden. Die Elektrodenschicht umfasst ein für eine negative Elektrode geeignetes Aktivmaterial, beispielsweise ein Übergangsmetall-Verbundoxid, amorphen Kohlenstoff oder Graphit. Zudem kann die negative Elektrode darüber hinaus auch noch Binder, z. B. Polyvinylidenfluorid (PVDF), Polyethylenglycol (PEG) oder Alginate in Verbindung mit feinverteiltem Silizium, sowie elektronisch leitendes Material zur Erhöhung der elektronischen Leitfähigkeit, sowie Elektrolytmaterial, insbesondere ein Polymer oder Festelektrolyt, zur Erhöhung der lonenleitfähigkeit, sowie weitere Additive umfassen. Vorteilhaft kann aber auch reines Lithium, beispielsweise in Form einer Li-Folie oder auch Legierungen von Lithium mit Indium oder Gold, Zink, Zinn, Magnesium oder Aluminium als negative Elektrode verwendet werden.
  • Weitere geeignete negative Elektroden für eine All-Solid-State Lithium-Ionen Batterien sind beispielsweise auch die so genannten Graphit-Elektroden, Silizium basierte Elektroden, Silizium-Kohlenstoff Komposite, Titanoxide bzw. Lithium Metall Elektroden für die Lithium Metall Batterie.
  • Neben dem vorbeschriebenen erfindungsgemäßen Verfahren zur Herstellung einer All-Solid-State Lithium-Batterie bzw. eines entsprechenden Multistacks, wird im Folgenden auch eine All-Solid-State Lithium-Ionen Batterie umfassend einen Schwefel basierten Festelektrolyten, bzw. ein entsprechender Multistack offenbart. Analoges gilt entsprechend aber auch für einen Multistack umfassend Lithium-Metall Batterien.
  • Erfindungsgemäß weisen diese Lithium-Batterien einen Festkörperelektrolyt auf Schwefelbasis auf. Darunter wird ein Festelektrolyt umfassend partikelförmige Lithiumsulfide und/oder Siliziumsulfide verstanden, der zudem noch wenigstens ein Bindemittel zur Bindung der Partikel aufweist.
  • Als geeignete Verbindungen für Lithiumsulfide und/oder Siliziumsulfide sind insbesondere sulfidische Gläser und Glaskeramiken wie etwa Li2S, Li2SiS3, Li2S-SiS2, Li2S-GeS2, Li2S-GeS4, Li2S-P2S5, β-Li3PS4, Lil-Li2S-P2S5, Lil-Li2S-B2S3, Li2S-B2S5, Li2S-Al2S5 oder Thio-LISICON (LixGeyPzS4, z.B. Li3,25Ge0.25P0,75S4), allgemein LGPS, sowie Agyrodite wie etwa Li6PS5X (X =Cl, Br, I) und Li7PS6 zu nennen.
  • Der Anteil an Binder in dem Festelektrolyt sollte zwischen 0,1 Gew.-% und 50 Gew.-%, vorzugsweise zwischen 1 Gew.-% und 5 Gew.-% gewählt werden.
  • Das eingesetzte Bindemittel sollte ferner vorzugsweise in einem Schwefel kompatiblen Lösungsmittel löslich sein. Als Schwefel kompatible Lösungsmittel können beispielsweise aliphatische Lösungsmittel verwendet werden, insbesondere Toluol. Ein für das erfindungsgemäße Verfahren geeignetes Bindemittel wäre z. B. Oppanol.
  • Das Verhältnis von Lithiumsulfid und/oder Siliziumsulfid zu Bindemittel kann von 99,9:0,1 bis 50:50 variieren.
  • Die All-Solid-State Lithium-Batterie bzw. der aus diesen aufgebaute Multistack weisen gegenüber den bislang aus dem Stand der Technik bekannten den Vorteil auf, dass sie aufgrund des Einsatzes wenigstens eines Schwefel-toleranten Stromableiters an der negativen Elektrode eine sehr gute Lebensdauer sowie eine hervorragende Eignung als seriell verschaltete Multistacks mit sich bringen.
  • Während in der Literatur bei Lithium-Ionen Einzelbatterien als Material für einen Stromableiter für die negative Elektrode Kupfer (Cu) und für die positive Elektrode Aluminium (AI) vorgeschlagen werden, umfasst die erfindungsgemäße All-Solid-State Lithium-Batterie mit einem Schwefel basierten Festelektrolyten wenigstens einen Stromableiter, der ein Schwefel-tolerantes Material, wie beispielsweise Edelstahl, Nickel, Titan oder glasartigen Kohlenstoff (Glassy Carbon) aufweist und benachbart zu einer negativen Elektrode angeordnet ist. Für den Fall, dass negative Elektroden eingesetzt werden, die anders als Lithium Metall oder Graphit, erhöhte Elektrodenpotentiale aufweisen, d. h. weniger reduktiv sind, kann erfindungsgemäß auch für die negative Elektrode Aluminium als Stromsammler berücksichtigt werden, da dieser ebenfalls Schwefel kompatibel ist.
  • Es hat sich herausgestellt, dass Festelektrolyte auf Schwefelbasis in der Regel in gewissem Ausmaß solange Schwefel und/oder Schwefelverbindungen in die Gasphase abgeben, bis dort ein Gleichgewicht erreicht ist. Reagiert nun ein Schwefel-affiner Stromleiter, wie beispielsweise eine Kupfer-Folie, mit diesem Schwefel und/oder dieser Schwefelverbindung aus der Gasphase, wird das Gleichgewicht gestört und es tritt weiterer Schwefel bzw. Schwefelverbindungen aus dem Festelektrolyt in die Gasphase, während der Stromleiter selbst abreagiert und damit seine Funktionstüchtigkeit verliert.
  • Durch den erfindungsgemäßen Einsatz eines Schwefel-toleranten Stromableiter kann sichergestellt werden, dass durch diesen über die Gasphase kein Schwefel aus dem Schwefel basierten Festelektrolyten aufgenommen wird und dieser damit auch auf lange Zeit seine Funktion als Stromableiter unvermindert erfüllen kann.
  • Und obwohl Lithiummetall als negative Elektrode bereits an sich ein guter elektrischer Leiter ist, hat sich herausgestellt, dass dennoch der Einsatz eines zusätzlichen Stromableiters manchmal sinnvoll ist. Zudem bietet ein Stromableiter zusätzliche mechanische Stabilität.
  • Insofern schlägt eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung einen Schwefel-toleranten Stromableiter auch an einer negativen Elektrode umfassend Lithiummetall vor.
  • Diese vorteilhafte Eigenschaft der Schwefeltoleranz macht sich insbesondere beim Zusammenbau von mehreren All-Solid-State Lithium-Batterien zu einem All-Solid-State Lithium-Batterie Multistack bemerkbar.
  • Vorzugsweise werden die All-Solid-State Lithium-Batterien seriell verschaltet. Das bedeutet, dass eine positive Elektrode einer Batterie über einen metallischen Stromableiter eine negative Elektrode einer benachbart angeordneten Batterie kontaktiert. Hierbei wird dann häufig von einer Bipolar-Elektrode gesprochen.
  • Es hat sich herausgestellt, dass der Einsatz von Aluminium-Stromableitern an den positiven Elektroden beim Stapelbau eines Multistacks direkten Kontakt mit den negativen Elektroden hätte, was allerdings bei einem Einsatz von z. B. Li-Elektroden als negative Elektroden bekanntermaßen nachteilig ist, da Aluminium und Lithium leicht Legierungen ausbilden. In diesen Fällen sollte dann auf einen anderen Schwefel-toleranten Stromableiter beispielsweise aus Edelstahl zurückgegriffen werden.
  • Ebenfalls ungeeignet ist der Einsatz von Kupfer-Stromableitern an den negativen Elektroden eines Multistacks, aufgrund der bereits bei den Einzelzellen beschriebenen Inkompatibilität von Schwefel und Kupfer.
  • In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung weist daher der erfindungsgemäße All-Solid-State Lithium-Batterie Multistack ausschließlich Stromableiter aus einem Schwefelkompatiblen Material auf.
  • In einer weiteren besonderen Ausführungsform der Erfindung weist wenigstens ein Schwefel-toleranter Stromableiter in einem All-Solid-State Lithium-Batterie Multistack eine größere Fläche als die Kontaktfläche zu einer benachbart angeordneten Elektrode auf, um diese sicher abzudecken und einen Elektrolytkontakt und damit einen ionischen Stromfluss zwischen den Einzelzellen zu unterbinden. Vorteilhaft ist die Fläche des Stromableiters dabei größer, als die Kontaktfläche zu einer benachbart angeordneten Elektrode. Die entsprechenden Flächen liegen dabei in einer zur Stapelrichtung (z) rechtwinklig angeordneten Ebene (x-y).
  • Bei der Ausgestaltung des Stromableiters in Bezug auf die benachbart angeordnete Elektrode und den Festelektrolyten ist abzuwägen zwischen dem Wunsch Material einzusparen und der Erwartung an die Langlebigkeit einer Batterie. Erfindungsgemäß ist die Fläche des Stromableiters in Bezug auf die benachbart angeordnete Elektrode zwischen 0,1 % bis 30 % größer, vorzugsweise zwischen 1 und 10 % größer.
  • Für die positive Elektrode können dabei alle bislang bekannten Materialien für eine All-Solid-State Lithium-Ionen Batterie bzw. eine All-Solid-State Lithium-Metall Batterie eingesetzt werden. Die Elektrodenschicht umfasst ein für eine positive Elektrode geeignetes Aktivmaterial, beispielsweise LiNixMnyCozO2 (NMC), LiCoO2 (LCO), LiFePO4 (LFP) oder LNixMnyO4 (LNMO). Darüber hinaus kann die positive Elektrode auch noch Aktivmaterial mit einer Beschichtung, z. B. Lithium Niobat (NiNbO3) zur Verbesserung der Kompatibilität von Aktivmaterial und Festelektrolyt oder zur Verbesserung der Performanz durch z. B. Kinetikverbesserung umfassen.
  • Zudem kann die positive Elektrode darüber hinaus auch noch Binder, elektronisch leitendes Material zur Erhöhung der elektronischen Leitfähigkeit, z. B. Azetylen Schwarz, Ruß, Graphit, Kohlefaser und Kohlenstoffnanoröhrchen, sowie Elektrolytmaterial, insbesondere ein Polymer oder Festelektrolyt, zur Erhöhung der lonenleitfähigkeit, sowie weitere Additive umfassen.
  • Für die negative Elektrode können ebenfalls alle bislang bekannten Materialien für eine All-Solid-State Lithium-Ionen Batterie bzw. eine All-Solid-State Lithium-Metall Batterie eingesetzt werden. Die Elektrodenschicht umfasst ein für eine negative Elektrode geeignetes Aktivmaterial, beispielsweise ein Übergangsmetall-Verbundoxid, amorpher Kohlenstoff oder Graphit. (Geeignete negative Elektroden für eine All-Solid-State Lithium-Ionen Batterie sind beispielsweise auch die so genannten Graphit-Elektroden bzw. Lithium Metall Elektroden für die Lithium Metall Batterie.)
  • Zudem kann die negative Elektrode darüber hinaus auch noch Binder, elektronisch leitendes Material zur Erhöhung der elektronischen Leitfähigkeit, sowie Elektrolytmaterial, insbesondere ein Polymer oder Festelektrolyt, zur Erhöhung der lonenleitfähigkeit, sowie weitere Additive umfassen. Vorteilhaft kann aber auch reines Lithium, beispielsweis in Form einer Li-Folie, als negative Elektrode verwendet werden.
  • In einer vorteilhaften Ausführungsform der erfindungsgemäßen All-Solid-State Lithium-Batterie ist zwischen der negativen Elektrode und dem Festelektrolyten eine Haftvermittlerschicht umfassend wenigstens ein Polymer angeordnet. Eine solche polymere Haftvermittlerschicht verhindert vorteilhaft eine kontinuierliche Abreaktion des Schwefels des Schwefel-basierten Festelektrolyten mit beispielsweise dem Lithium der negativen Elektrode.
  • Es ist noch zu bemerken, dass die erfindungsgemäßen Lithium-Batterien vorteilhaft aber nicht zwingend über das erfindungsgemäße Verfahren herstellbar sind.
  • Spezieller Beschreibungsteil
  • Im Weiteren wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen und Figuren näher und detaillierter erläutert. Die Erfindung ist nicht auf die hier offenbarten Ausführungsbeispiele beschränkt. Alle beschriebenen und/oder bebilderten Merkmale können sich einzeln oder auch kombiniert in unterschiedlichen Ausführungsformen manifestieren. Die Merkmale der unterschiedlichen Ausführungsformen dieser Erfindung und ihre jeweiligen Vorteile werden beim Lesen der nachfolgend ausgeführten Ausführungsbeispiele in Zusammenhang mit den Figuren offenbart. Dabei zeigen:
    • 1: Schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Ausführungsform einer All-Solid-State Lithium-Ionen Batterie bzw. einer Lithium-Metall Batterie mit zwei Stromableitern. Dabei zeigen:
      5a
      Stromableiter (z.B. Edelstahl)
      1
      Anode (z. B. Li Metall)
      2
      Polymer (z. B. PEO)
      3
      Festelektrolyt (z.B. binderbasiert sulfidisch)
      4
      Kathode (z. B. NMC622 Komposit)
      5b
      Stromableiter (z. B. AI)
    • 2: Schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Ausführungsform einer All-Solid-State Lithium-Ionen Batterie bzw. einer Lithium-Metall Batterie als Einzelzelle, die vorteilhaft seriell verschaltet zu einem Multistack verbunden werden kann. Dabei zeigen:
      1
      Anode (z. B. Li Metall)
      2
      Polymer (z. B. PEO)
      3
      Festelektrolyt (z.B. binderbasiert sulfidisch)
      4
      Kathode (z. B. NMC622 Komposit)
      5
      Stromableiter (z. B. AI)
    • 3: Darstellung des elektrochemischen Verhaltens eines Lithium-Batterie Multistacks mit Schwefel basiertem Festelektrolyt wenn Kupfer als Stromsammler eingesetzt wird.
    • 4: Darstellung des elektrochemischen Verhaltens eines erfindungsgemäßen Lithium-Batterie Multistacks mit Schwefel basiertem Festelektrolyt und mit Schwefel-toleranten Stromsammlern.
  • Während die Erfindung im vorangehenden Teil der Anmeldung allgemein beschrieben wurde, sollen die nachfolgende Beschreibung und die Figuren lediglich als Beispiel gelten, ohne dadurch einschränkend zu wirken. Es ist davon auszugehen, dass ein Fachmann im Rahmen seines Fachwissens selbst weitere Änderungen und Modifikationen der nachfolgenden Ausführungsform vornehmen würde und könnte, die durch den Schutzbereich der Ansprüche mit abgedeckt sind. Insbesondere sind im Rahmen der Erfindung weitere Ausführungsformen mit jeder Art von Kombinationen der erwähnten Merkmale einzelner Ausführungsbeispiele mit umfasst.
  • Herstellung einer All-Solid-State Lithium-Batterie bzw. eines entsprechenden Multistacks
  • Herstellung der positiven Elektroden für eine All-Solid-State Lithium-Ionen Batterie:
  • Für ein Gramm Elektrodenslurry wird 0,288 g β-Li3PS4 (LPS) mit 0,02 g „Vapor grown carbon fiber“ (VGCF) und 0,642 g LiNi0,6Mn0,2Co0,2O2 (NMC622) vermischt und mit 3 g einer Lösung versetzt, umfassend 2,95 g Toluol und 0,05 g Oppanol. Anschließend wird dieser Elektrodenslurry mit einer Frequenz von 30 s-1 in einer Kugelmühle für insgesamt 20 min (4 × 5 min) gemahlen. Der Elektrodenslurry wird danach auf eine Aluminium Folie (30 µm Schichtdicke) mit einer Schichtdicke von 200 µm gerakelt und über Nacht zum Trocknen liegen gelassen. Als letzten Schritt erhält man durch Stanzen (12 mm Durchmesser) die fertigen positiven Elektroden. Alle Arbeiten finden unter Raumtemperatur und unter Argon Schutzatmosphäre statt, z.B. in der „Glovebox“.
  • Herstellung des Festkörperelektrolyten:
  • Für ein Gramm Festkörperslurry wird 0,95 g β-Li3PS4 (LPS) mit einer 2 g Lösung versetzt, bestehend aus 0,05 g Oppanol und 1,95 g Toluol. Der Slurry wird über Nacht gerührt (Magnetrührfisch, 200 rpm) und anschließend auf eine Aluminiumfolie (30 µm Schichtdicke) mit einer Schichtdicke von 200 µm gerakelt und über Nacht zum Trocknen liegen gelassen. Als letzten Schritt erhält man durch Stanzen (12 mm Durchmesser) die fertigen Festkörperelektrolyt-Schichten. Alle Arbeiten finden unter Raumtemperatur und unter Argon Schutzatmosphäre statt, z.B. in der „Glovebox“.
  • Zusammenbau:
  • Der Zusammenbau der Lithium-Batterien erfolgte in einem Trockenraum (Taupunkt < -70 ℃) bei Raumtemperatur. Zuerst wird der Festelektrolyt auf die positive Elektrode transferiert und verpresst. Dies geschieht in einem Schritt, indem der gestanzte Festelektrolyt (12 mm Durchmesser) direkt auf die positive Elektrode (12 mm Durchmesser) gelegt und anschließend für 30 s bei 8 t cm-2 verpresst wird. Dabei werden der Aluminium Stromableiter der positiven Elektrode und die Aluminium Trägerfolie des Festelektrolyten jeweils außen angeordnet. Nach dem Herausnehmen des „Presslings“ lässt sich die zum Festelektrolyten zugehörige Aluminium Folie einfach abtrennen bzw. springt in den meisten Fällen von selbst ab, so dass das benötigte Laminat aus positiver Elektrode und Festelektrolyt entsteht.
  • Parallel dazu legt man eine PEO basierte Haftvermittlungsschicht (12 mm Durchmesser; mit LiTFSI als Leitsalz; Lithium zu Sauerstoff Verhältnis von 1:10) auf Li Metall als negative Elektrode (12 mm Durchmesser) und legt anschließend das Laminat der positiven Elektrode-Festelektrolyt darauf. Als Zellgehäuse wurde die „Swagetok cell“ genommen.
  • All-Solid-State Lithium-Metall Batterie Multistack:
  • Für einen Lithium-Metall Batterie Multistack werden die einfachen Zellen der vorgenannten Lithium Batterie im Zellgehäuse der „Swagelok cell“ aufeinandergestapelt. Die Stapelung erfolgt seriell, das heißt auf die Zelle Nr.1 (Bau oben beschrieben), wird eine Zelle Nr. 2 so gestapelt (Bau analog zu Zelle 1), dass die negative Elektrode (Lithium) der Zelle Nr. 2 auf der positiven Elektrode (NMC622) der Zelle 1 liegt (Bipolarer Aufbau). Entsprechend wird noch eine Zelle Nr.3 gestapelt, woraus ein Multistack mit drei Wiederholeinheiten entsteht („Triplestack“).
  • Entscheidend für die Funktionsfähigkeit des Multistacks ist, dass die einzelnen Zellen mit einer Scheibe aus Edelstahl (13 mm Durchmesser; 10 µm Dicke) als Stromsammler räumlich separiert werden, das heißt dass eine solche Scheibe aus Edelstahl jeweils zwischen dem Aluminium der Zelle Nr.1 und dem Lithium-Metall der Zelle Nr.2, sowie zwischen dem Aluminium der Zelle Nr.2 und dem Lithium-Metall der Zelle Nr.3 angeordnet ist.
  • Zur Überprüfung der Funktionstüchtigkeit der so hergestellten erfindungsgemäßen Lithium-Batterie Multistacks, wurden elektrochemische Untersuchungen bei 60 °C durchgeführt. Die Ladeschlussspannung beträgt 12,6 V, die Entladeschlussspannung beträgt 9 V, der spezifische Strom für das Laden und Entladen beträgt 15 mA g-1.
  • Die 3 zeigt das elektrochemische Verhalten eines analog hergestellten Multistacks („Triplestack“,) wenn Kupfer - wie bislang aus dem Stand der Technik bekannt - als Stromsammler für die negative Elektrode genommen wird. Nach ca. einer Stunde Ladevorgang sieht man ein Rauschen im Spannungs-Strom-Verhalten, was einen Defekt des Multistacks signalisiert.
  • Die 4 zeigt demgegenüber das elektrochemische Verhalten einer Ausführungsform der Erfindung (Lithium-Metall Batterie Multistack), bei dem jeweils Edelstahl als Stromsammler für die negative Elektrode eingesetzt wurde. Ein (rauschfreies) systemcharakteristisches Spannungs-Strom-Verhalten wird beobachtet, was die Funktionsfähigkeit des Multistacks bestätigt.
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
  • Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
  • Zitierte Patentliteratur
    • DE 102016216549 A1 [0014, 0015]
    • DE 102015210806 A1 [0016]

Claims (15)

  1. Verfahren zur Herstellung einer All-Solid-State Lithium-Batterie, umfassend eine positive Elektrode, eine negative Elektrode sowie eine dazwischen angeordnete Festelektrolytschicht, dadurch gekennzeichnet, dass - ein Festelektrolyt auf ein metallisches Transfersubstrat aufgebracht wird, - die dem metallischen Transfersubstrat gegenüberliegende Seite der Festelektrolytschicht mit einer positiven Elektrode kontaktiert und verspresst wird, und - das metallische Transfersubstrat anschließend von der Festelektrolytschicht entfernt wird, bevor eine negative Elektrode direkt oder über eine Haftvermittlerschicht auf der freien Seite der Festelektrolytschicht angeordnet wird.
  2. Verfahren zur Herstellung eines All-Solid-State Lithium-Batterie Multistacks, umfassend wenigstens eine positive Elektrode, wenigstens eine negative Elektrode sowie wenigstens eine bipolare Elektrode, dadurch gekennzeichnet, dass - ein Festelektrolytschicht auf ein metallisches Transfersubstrat aufgebracht wird, - die der metallischen Folie gegenüberliegende Seite der Festelektrolytschicht auf einer positiven Elektrode angeordnet und verspresst wird, und - die metallische Folie anschließend von der Festelektrolytschicht entfernt wird, bevor eine negative Elektrode oder eine bipolare Elektrode direkt oder über eine Haftvermittlerschicht auf der freien Seite der Festelektrolytschicht angeordnet wird.
  3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, bei dem als metallisches Transfersubstrat eine Aluminiumfolie eingesetzt wird.
  4. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, bei dem als negative Elektrode Lithium-Metall und/oder als positive Elektrode eine Komposit-Elektrode eingesetzt wird.
  5. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, bei dem als Festelektrolyt eine Festelektrolytaufschlämmung umfassend wenigstens eine Schwefel basierte Verbindung eingesetzt wird.
  6. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, bei dem wenigstens ein Stromableiter umfassend ein Schwefel tolerantes Material benachbart zur negativen Elektrode angeordnet wird.
  7. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, bei dem die negative Elektrode über eine Haftvermittlerschicht umfassend wenigstens ein Polymer auf der freien Seite der Festelektrolytschicht angeordnet wird.
  8. All-Solid-State Lithium-Batterie, umfassend eine positive Elektrode, eine negative Elektrode, einen dazwischen angeordneten Schwefel basierten Festelektrolyt und wenigstens einen Stromableiter, dadurch gekennzeichnet, dass - zwischen der negativen Elektrode und dem Festelektrolyt eine Haftvermittlungsschicht angeordnet ist, und/oder - wenigstens ein Stromableiter benachbart zur negativen Elektrode ein Schwefel tolerantes Material umfasst.
  9. All-Solid-State Lithium-Batterie nach Anspruch 8, bei der die Fläche wenigstes eines Schwefel toleranten Stromableiters größer ist als die Kontaktfläche zu einer angrenzenden Elektrode.
  10. All-Solid-State Lithium-Batterie nach einem der Ansprüche 8 bis 9, bei der die Fläche wenigstens eines Schwefel toleranten Stromableiters um wenigstens 5 % größer ist als die Kontaktfläche zu einer angrenzenden Elektrode, vorzugsweise um mehr als 9 % größer ist als die Kontaktfläche zu einer angrenzenden Elektrode.
  11. All-Solid-State Lithium-Ionen Batterie nach einem der Ansprüche 8 bis 10, mit einer Haftvermittlerschicht umfassend wenigstens ein Polymer.
  12. All-Solid-State Lithium-Ionen Batterie nach einem der Ansprüche 8 bis 11, mit einem Schwefel-toleranten Stromableiter umfassend Edelstahl, Nickel, Aluminium oder einen glasartigen Kohlenstoff.
  13. All-Solid-State Lithium-Ionen Batterie nach einem der Ansprüche 8 bis 12, mit einer Lithium-Metallelektrode als negative Elektrode und mit einer NMC622 Komposit-Elektrode als positive Elektrode.
  14. All-Solid-State Lithium-Ionen Batterie Multistack, umfassend wenigstens eine positive Elektrode, wenigstens eine negative Elektrode, wenigstens eine bipolare Elektrode, wobei jeweils zwischen zwei Elektroden ein Schwefel basierter Festelektrolyt angeordnet ist, und wenigstens einen Stromableiter, dadurch gekennzeichnet, dass - zwischen wenigstens einer negativen Elektrode und einem Festelektrolyt oder zwischen einer bipolaren Elektrode und einem Festelektrolyt eine Haftvermittlungsschicht angeordnet ist, und/oder - wenigstens ein Stromableiter benachbart zu einer negativen Elektrode ein Schwefel tolerantes Material umfasst.
  15. All-Solid-State Lithium-Ionen Batterie Multistack, umfassend wenigstens eine All-Solid-State Lithium-Ionen Batterie gemäß einem der Ansprüche 8 bis 13.
DE102019001737.4A 2019-03-14 2019-03-14 Lithium Batterie, Lithium Batterie Multistack sowie Verfahren zur Herstellung derselben Withdrawn DE102019001737A1 (de)

Priority Applications (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
DE102019001737.4A DE102019001737A1 (de) 2019-03-14 2019-03-14 Lithium Batterie, Lithium Batterie Multistack sowie Verfahren zur Herstellung derselben
PCT/DE2020/000013 WO2020182241A1 (de) 2019-03-14 2020-02-01 Lithium batterie, lithium batterie multistack sowie verfahren zur herstellung derselben

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
DE102019001737.4A DE102019001737A1 (de) 2019-03-14 2019-03-14 Lithium Batterie, Lithium Batterie Multistack sowie Verfahren zur Herstellung derselben

Publications (1)

Publication Number Publication Date
DE102019001737A1 true DE102019001737A1 (de) 2020-09-17

Family

ID=69723751

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
DE102019001737.4A Withdrawn DE102019001737A1 (de) 2019-03-14 2019-03-14 Lithium Batterie, Lithium Batterie Multistack sowie Verfahren zur Herstellung derselben

Country Status (2)

Country Link
DE (1) DE102019001737A1 (de)
WO (1) WO2020182241A1 (de)

Families Citing this family (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN114597484A (zh) * 2020-12-04 2022-06-07 通用汽车环球科技运作有限责任公司 制造双极固态电池组的原位胶凝方法
CN113497267A (zh) * 2021-06-04 2021-10-12 天津中电新能源研究院有限公司 一种固态金属锂电池及其制备方法

Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE102015210806A1 (de) * 2014-11-14 2016-05-19 Hyundai Motor Company Bipolare Elektrode, Bipolare Festkörperbatterie, die unter Verwendung derselben hergestellt wird, und Herstellungsverfahren derselben
CN106784628A (zh) * 2016-12-26 2017-05-31 国联汽车动力电池研究院有限责任公司 一种包含转移式固体电解质薄层的电极及其制备工艺、应用
DE102016216549A1 (de) * 2016-09-01 2018-03-01 Bayerische Motoren Werke Aktiengesellschaft Festkörperzelle mit Haftungsvermittlungsschicht

Family Cites Families (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP6048396B2 (ja) * 2013-12-26 2016-12-21 トヨタ自動車株式会社 全固体電池の製造方法

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE102015210806A1 (de) * 2014-11-14 2016-05-19 Hyundai Motor Company Bipolare Elektrode, Bipolare Festkörperbatterie, die unter Verwendung derselben hergestellt wird, und Herstellungsverfahren derselben
DE102016216549A1 (de) * 2016-09-01 2018-03-01 Bayerische Motoren Werke Aktiengesellschaft Festkörperzelle mit Haftungsvermittlungsschicht
CN106784628A (zh) * 2016-12-26 2017-05-31 国联汽车动力电池研究院有限责任公司 一种包含转移式固体电解质薄层的电极及其制备工艺、应用

Also Published As

Publication number Publication date
WO2020182241A1 (de) 2020-09-17

Similar Documents

Publication Publication Date Title
DE102019114726B4 (de) Kondensatorunterstützte festkörperbatterie
EP3479425B1 (de) Verfahren zur herstellung einer elektrochemischen zelle sowie eine mit dem verfahren hergestellte elektrochemische zelle
DE112014000438B4 (de) Festkörperbatterie und Verfahren zum Herstellen derselben
DE102020133443A1 (de) Elektrodenüberlagerungskonfiguration für Batterien mit bipolaren Komponenten
DE102012224377A1 (de) Verfahren zum Herstellen eines galvanischen Elements und galvanisches Element
EP1261048A2 (de) Verfahren zur Herstellung von Elektrodenfolien für galvanische Elemente
WO2022122232A1 (de) Auf so2-basierender elektrolyt für eine wiederaufladbare batteriezelle und wiederaufladbare batteriezelle
DE102016215064A1 (de) Beschichteter Festkörperelektrolyt
DE112011102079B4 (de) Aktives Material für eine wiederaufladbare Batterie
DE102013017594A1 (de) Herstellungsverfahren für elektrochemische Zellen einer Festkörperbatterie
DE102011086899A1 (de) Gedruckte Batterien
DE112019002209T5 (de) Elektrodenkonfiguration mit einem Protrusioninhibitions-Trennelement
WO2020182241A1 (de) Lithium batterie, lithium batterie multistack sowie verfahren zur herstellung derselben
DE102015209981A1 (de) Festelektrolytseparator für Lithium-Konversionszelle
DE19540845B4 (de) Wiederaufladbare nicht-wäßrige Lithiumbatterie mit schichtartig angeordneten elektrochemischen Zellen
EP3155673B1 (de) Separator für einen elektrochemischen speicher, verfahren zur herstellung des separators sowie elektrochemischer energiespeicher
DE102016216549A1 (de) Festkörperzelle mit Haftungsvermittlungsschicht
DE102019132947A1 (de) Feststoffbatterie mit hoher energiedichte und verfahren zum herstellen derselben
DE112018007588T5 (de) Poly(pyrocarbonat)-basierte polymerelektrolyte für hochspannungs-lithiumionenbatterien
DE112018001468T5 (de) Batterie mit niedrige gegenionendurchlässigkeit aufweisender schicht
DE102014211743A1 (de) Galvanisches Element und Verfahren zu dessen Herstellung
DE102021111110A1 (de) Batterie, verfahren zu ihrer herstellung und gegenstände, die diese batterie enthalten
DE102016215070A1 (de) Elektrode für Festkörperzelle mit eingebettetem Leitfähigkeitszusatz
EP2866285B1 (de) Lithium-Ionen-Batterien und Verfahren zu ihrer Herstellung
DE102011007297A1 (de) Gasdiffusionselektrode, Verfahren zu ihrer Herstellung und ihre Verwendung

Legal Events

Date Code Title Description
R012 Request for examination validly filed
R120 Application withdrawn or ip right abandoned